畢業(yè)設計---多功能鉆機總體設計及變幅機構(gòu)分析

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　目前國內(nèi)的多功能鉆機主要是進行鉆孔，錨固孔，坑道施工，隧道施工，道路施工，露天采礦等。實踐表明，多功能鉆機不能很好的適應在不同的施工環(huán)境下進行不同的施工作業(yè)。國內(nèi)部分單位引進了國外車載全液壓動力頭頂驅(qū)鉆機，在實際使用過程中顯示了其優(yōu)越性，但價格比較高，配件供應周期長，使鉆機的保養(yǎng)維修出現(xiàn)一些困難。因此亟需研發(fā)出具有自主知識

2、產(chǎn)權(quán)，能夠適應各種不同的施工環(huán)境，高效率的多功能鉆機。國內(nèi)在這方面的研究剛剛起步，雖然已經(jīng)有國內(nèi)廠商率先生產(chǎn)了首款多功能鉆機,但其應用還不是十分廣泛，主要是由于新鉆機需要一個較長的適應過程才能進行使用，這樣就延長了開采周期，增加了開采成本。</p><p>　　針對上述問題，本論文通過對多功能鉆機工作要求和設計要求的研究，自行設計一套適應性強，應用范圍廣泛的全液壓多功能鉆機。本文的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點包括：</

3、p><p>　　1. 了解多功能鉆機的設計要求及工作領域，并提出對設計多功能鉆機的總體要求。</p><p>　　2. 設計一套全液壓頂驅(qū)多功能鉆機，利用鉆機參數(shù)，通過優(yōu)化設計、模塊化設計來完成總體設計。</p><p>　　3. 利用Pro/E三維軟件對設計的鉆機進行三維建模，并對變幅機構(gòu)進行運動仿真，來了解鉆機變幅機構(gòu)的工作過程。</p><p&

4、gt;　　關鍵字：多功能；鉆機；總體設計；機構(gòu)運動仿真</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　At present, the main multi-purpose drilling rig is drilling, anchor holes, tunnel construction, tunnel construction, roa

5、d construction, surface mining and so on. Practice shows that the multi-function rig is not well adapted in different environments with different construction of the construction work. Some units of the introduction of f

6、oreign domestic vehicle hydraulic power head drive drilling rig, shown in the actual use of its advantages, but the price is relatively high, spare parts supply</p><p>　　In response to these problems, we wor

7、k through the multi-functional requirements and design requirements rig research, to design a set of adaptable, application of a wide range of fully hydraulic multi-function rig. The main contents and innovations include

8、: 1. Understanding the design requirements for multi-function rig and work areas, and proposing the general design requirements of multi-function rig. 2. Designing a multi-function hydraulic top drive drilling rig,

9、 the use of drilling pa</p><p>　　Keywords: multi-functional; rig; overall design; body motion simulation</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　緒論</b></p><

10、;p>　　1.1選題背景……………………………………………………………………………………………………………………………4</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究狀況………………………………………………………………………………………………………………. 4</p><p>　　1.3課題的研究目的和意義……………………………………………………………………………………………………..5&

11、lt;/p><p>　　第二章 整機總體方案的選型…………………………………………………………………………………………………………6</p><p>　　2.1總體設計的要求任務和依據(jù)……………………………………………………………………………………………..6</p><p>　　2.2機型與傳動形式選擇………………………………………………………………………………………

12、…………………7</p><p>　　2.2.1機型選擇………………………………………………………………………………………………………………..7</p><p>　　2.2.2傳動形式選擇………………………………………………………………………………………………………..7</p><p>　　2.3鉆機的總體布局……………………………………………………………………

13、……………………………………………8</p><p>　　2.3.1鉆機的驅(qū)動與動力方式…………………………………………………………………………………………8</p><p>　　2.3.2升降級的布置形式…………………………………………………………………………………………………9</p><p>　　2.3.3操縱機構(gòu)的設置……………………………………………………

14、……………………………………………….9</p><p>　　2.3.4裝載形式………………………………………………………………………………………………………………..9</p><p>　　2.4鉆機整體參數(shù)的確定………………………………………………………………………………………………………….9</p><p>　　2.4.1鉆機能力的參數(shù)……………………………

15、……………………………………………………………………….10</p><p>　　2.4.2鉆機的關鍵參數(shù)………………………………………………………………………………………………..…..11</p><p>　　2.4.3鉆機參數(shù)…………………………………………………………………………………………………………………13</p><p>　　2.5本章小結(jié)……………

16、…………………………………………………………………………………………………………….….13</p><p>　　第三章 多功能鉆機的三維建?！?14</p><p>　　3.1多功能鉆機的概述………………………………………………………………………………………………………….…..14</p><

17、;p>　　3.2多功能鉆機的基本組成與工作原理………………………………………………………………………………..….14</p><p>　　3.2.1多功能鉆機的基本組成……………………………………………………………………………………….….14</p><p>　　3.2.2多功能鉆機的工作原理…………………………………………………………………………………………..15</p

18、><p>　　3.3多功能鉆機的三維模型的建立………………………………………………………………………………..………….16</p><p>　　3.4本章小結(jié)…………………………………………………………………………………………………………………………..….16</p><p>　　第四章 多功能鉆機的變幅機構(gòu)的機構(gòu)運動與受力分析…………………………………………………

19、..…………….17</p><p>　　4.1多功能鉆機的變幅機構(gòu)的工作原理…………………………………………………………………………………….17</p><p>　　4.2變幅機構(gòu)的運動分析………………………………………………………………………………………..………………….18</p><p>　　4.3載荷位置分析…………………………………………………………

20、………………………………………………………….…19</p><p>　　4.4變幅機構(gòu)的機構(gòu)運動仿真…………………………………………………………….………………………………………20</p><p>　　4.4.1Pro/E機構(gòu)模塊的引用……………………………………………………………………………………….………20</p><p>　　4.4.2變幅機構(gòu)的仿真過程

21、………………………………………………………………………………………………. 21</p><p>　　4.5本章小結(jié)…………………………………………………………………………………………………………………….………… 23</p><p>　　第五章 總結(jié)與展望…………………………………………………………………………………………………………………………… 24</p><

22、p>　　5.1結(jié)論與創(chuàng)新………………………………………………………………………………………………………………..………… .24</p><p>　　5.2局限與展望…………………………………………………………………………………………………………………….…….. 24</p><p>　　致謝………………………………………………………………………………………………………………………

23、……………..…………….. 26</p><p>　　參考文獻……………………………………………………………………………………………………………………………..……………… 27</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　1.1選題背景</b></p><p>　　上世

24、紀90年代以來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和國家對基礎建設投資的增大，并且地鐵和高層住宅建筑的施工面積也在不斷擴大，地下施工的深度已經(jīng)達到好幾十米，長度也達到幾百米，工程量巨大。在國內(nèi)各大城市的規(guī)劃中，已經(jīng)把地下空間的利用（地鐵、停車場）作為城市規(guī)劃發(fā)展的重點方向。多功能鉆機是用于邊坡錨固支護、隧道超前管棚支護施工、室內(nèi)建筑基礎加固、以及露天采石炮孔等工程施工中，具有施工成本低、效率高、質(zhì)量好、振動和噪聲污染小等優(yōu)點。在國內(nèi)建筑事情蓬勃發(fā)展，建筑樓

25、層越來越高、范圍越來越大、施工條件越來越復雜的情況下，要求工程具有承載力強，建筑深度大，可靠性強的方向發(fā)展。國家在新世紀開始后，每年投入大筆資金進行地質(zhì)大調(diào)查，而多功能鉆機在很多領域中具有重要的作用，所以開發(fā)適應復雜地質(zhì)條件的地質(zhì)勘探設備和在深坑中進行支護的全液壓履帶式多功能鉆機勢在必行。</p><p>　　1.2多功能鉆機國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1國外研究現(xiàn)狀<

26、;/p><p>　　國外多功能鉆機的開發(fā)與應用起步較早，技術性能比較成熟。目前，美國雪姆公司、阿特拉斯．科普柯公司、德國寶峨公司、意大利鉆力公司都研發(fā)了各種型號的車載全液壓動力頭頂驅(qū)鉆機，在世界各煤層氣勘探開發(fā)國家使用，施工效果良好。這些鉆機的結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)比傳統(tǒng)立軸及轉(zhuǎn)盤式鉆機有了很大的提高；采用了碟形彈簧卡緊、液壓松開的液壓自動卡盤；采用無導向桿的大通徑動力頭回轉(zhuǎn)器；采用汽車變速箱、離合器等通用部件。還發(fā)展了與之

27、配套的變量泥漿泵和繩索取心鉆具，滿足了金剛石鉆進和繩索取心鉆進的要求。同時，出現(xiàn)了電子計算機輔助監(jiān)控的鉆進過程自動監(jiān)控系統(tǒng)，如加拿大的ADM數(shù)據(jù)采集、處理和分析系統(tǒng)，德國的ZBE電子．電液組件導向監(jiān)控系統(tǒng)等。</p><p>　　國外鉆機的發(fā)展主要得益于以下幾個方面：</p><p>　　1)先進的鉆機設計理念。</p><p>　　2)雄厚的技術儲備。</p

28、><p>　　3)煤層氣行業(yè)詳細的安全和設備可靠性標準。</p><p>　　國外煤層氣鉆機具有以下幾方面的突出優(yōu)點:</p><p>　　1)模塊化程度高。安裝拆卸工作量小，動作協(xié)調(diào)、速度快，井架起放迅速、鉆進效率高。</p><p>　　2)鉆臺高度可調(diào)。鉆臺高度通過液缸調(diào)節(jié)，可以方便地實現(xiàn)合適的鉆臺高度，滿足現(xiàn)代鉆井對防噴系統(tǒng)的需要。<

29、;/p><p>　　3)自動化程度高。鉆柱的排放、連接和上卸全部自動化，無須手工操作，降低了勞動強度、減少操作人員，全液壓動力頭，可以實現(xiàn)自動控制鉆井參數(shù)。</p><p>　　4)配套能力強。高性能的發(fā)動機、空壓機、長壽命井底馬達、高精度定向裝置和隨鉆測量裝置等技術成熟。</p><p>　　5)操作環(huán)境友好。采用全液壓安全、低噪音，對環(huán)境的污染少，更符合HSE的要求

30、。</p><p>　　1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀</p><p>　　我國受經(jīng)濟體制的影響，在國內(nèi)多功能鉆機的研制起步較晚，整個研制時間才經(jīng)歷了30多年的歷程。20世紀七十年代以前主要從事的地質(zhì)巖心鉆機的研制和生產(chǎn)，對于多功能鉆機的領域基本無人關注。改革開放以后，隨著基礎建設的擴大，多功能鉆機才逐步被重視起來。我國多功能鉆機主要從原水文鉆機演變過來的，鉆孔直徑較小。目前工程鉆機向大功率、大扭

31、矩、大孔徑方向發(fā)展，配備的液壓件也從國內(nèi)選配轉(zhuǎn)向國外。</p><p>　　現(xiàn)在國內(nèi)有多個廠家生產(chǎn)多變幅多功能鉆機，無錫雙帆生產(chǎn)的YGS-100履帶式鉆機，鉆機回轉(zhuǎn)扭矩大，給進行程長，使鉆孔速度快，處理事故能力強，鉆進效率高。鉆機在動力頭上采用大扭矩液壓馬達驅(qū)動、無級調(diào)速，鉆機的工藝適應性強。行走履帶由液壓馬達驅(qū)動，提高了鉆機的靈活性。鉆機的桅桿與鉆臂經(jīng)過多個油缸組合，使鉆機具有全方位的鉆孔角度。能進行多角度、大

32、范圍不同孔位的施工，對中孔位的掌握力更強，施工效率更高。鉆機裝載在重型履帶底盤上并配有上車回轉(zhuǎn)裝置，使整機移位，行走更快捷方便。</p><p>　　西安探礦機械廠生產(chǎn)的GL-6000型履帶全液壓工程鉆機，鉆機動力頭采用無級調(diào)速功能，扭矩達到6000Nm，提升力110kN為國內(nèi)同類產(chǎn)品中能力最大。采用雙夾持器擰卸鉆具，有效降低了勞動強度。鉆機液壓系統(tǒng)采用直動式負載反饋微調(diào)變量系統(tǒng)，主要元件采用進口產(chǎn)品，技術先進，

33、能耗低，效率高。該鉆機設計的多方位變幅機構(gòu)，滿足多角度鉆進的需要，機架和立柱均可90°旋轉(zhuǎn)，定位方便、快捷、可靠。同時該鉆機采用先進的數(shù)字化儀表，可實時顯示主要鉆進參數(shù)。</p><p>　　1.3 課題的研究目的和意義</p><p>　　多功能鉆機是地質(zhì)勘探中的重要設備，隨著世界各國對地質(zhì)勘探的重視及各種大規(guī)模工程的施工，其應用前景也越來越廣闊。全液壓化已經(jīng)是工程鉆機的發(fā)展方

34、向，它的研究直接影響以上這些工程施工的成敗。</p><p>　　多功能鉆機是機電液一體化的設備，其結(jié)構(gòu)的好快直接影響鉆探施工的質(zhì)量。變幅機構(gòu)作為工程鉆機機身位置的驅(qū)動裝置，其結(jié)構(gòu)尺寸影響著鉆機的工作范圍，不同施工條件下機構(gòu)的受力情況影響設備的可靠性；液壓系統(tǒng)作為鉆機工作的動力，性能的好壞決定著鉆進效率的高低。用虛擬技術對工程鉆機的機械、液壓系統(tǒng)進行研究，在設計初始階段發(fā)現(xiàn)設計的不足進行改正，有助于提高鉆機的設計

35、水平，促進產(chǎn)品的創(chuàng)新，對工程機械行業(yè)來說具有重要的意義。</p><p>　　DYL-300多功能鉆機具有全方位變幅機構(gòu)，在一個位置可以進行大區(qū)域多排、多角度鉆孔，適用于多種條件下的施工，同時具備履帶行走功能，機動性強、適應性強，被廣泛應用于邊坡錨固支護、隧道超前管棚支護施工、室內(nèi)建筑基礎加固、以及露天采石炮孔等工程施工中；并可應用隧道瓦斯、地下水超前勘探；稍做改動可作為旋噴鉆機使用，因此市場需求量大，市場前景好

36、。</p><p>　　第二章 整機總體方案的選型</p><p>　　2.1 總體設計的要求、任務和依據(jù)</p><p>　　2.1.1總體設計的要求</p><p>　　鉆機是直接用于鉆孔的機器，是從事鉆探施工的主體設備。鉆機質(zhì)量的好壞直接影響鉆機生產(chǎn)的效率、質(zhì)量、成本和安全。一臺好的鉆機應該能夠滿足鉆機工藝、使用制造、維修、運輸、環(huán)境

37、保護等各方面的要求和符合國家頒布的各項法規(guī)。上述諸多要求都應該合理的體現(xiàn)在一臺鉆機上。為了獲得既合理又先進的技術方案，應對各方面的技術要求進行全面深入的分析，根據(jù)鉆機設計的總目標，區(qū)分各種要求的主次地位，對其進行相互的協(xié)調(diào)，盡可能的將各方面的要求集中和統(tǒng)一的協(xié)調(diào)在一起。</p><p>　　一臺鉆機的好壞不僅取決于零部件設計的質(zhì)量，尤為重要的是如何把這些零部件進行合理的組合，使各部件和整機都具有良好的質(zhì)量和性能。

38、因此，總體設計是鉆機設計的一個重要部分。</p><p>　　為了獲得理想的鉆機總體設計方案，在設計時，應滿足一下要求：</p><p>　　1）整機的能力參數(shù)與各部件的能力參數(shù)要相互匹配協(xié)調(diào)，并能滿足鉆進工藝的要求。</p><p>　　2）整機具有足夠的強度、剛度和抗震性；重心要低，其安裝位置盡量靠近鉆機安裝平面的形心；</p><p>

39、　　3）結(jié)構(gòu)緊湊，傳動鏈段，傳動件少；</p><p>　　4）便于安裝和拆卸；</p><p>　　5）要有合理的裝載形式和良好的整機性能，以滿足運輸和使用的要求；</p><p>　　6）要盡可能節(jié)省材料，易于加工和降低成本。用材少，也有利于減輕整機質(zhì)量，便于搬遷運移。</p><p>　　2.1.2總體設計的任務</p>

40、<p>　　總體設計的任務包括：</p><p>　　1）根據(jù)鉆機的用途和使用要求選擇鉆機的類型</p><p>　　2）根據(jù)所選的類型和使用要求，確定鉆機參數(shù)</p><p>　　3）選擇傳動方式和動力的驅(qū)動方式</p><p>　　4）進行鉆機的總體布局，確定各部件之間的相互位置、傳動關系、連接結(jié)構(gòu)等</p>&l

41、t;p>　　5）估算鉆機的質(zhì)量、總體尺寸和成本</p><p>　　6）檢查鉆機的穩(wěn)定性能</p><p>　　7）繪出鉆機的總裝配草圖</p><p>　　2.1.2總體設計的依據(jù)</p><p>　　在進行總體設計之前，要進行大量細致深入的調(diào)查研究工作，收集同類鉆機的設計和使用方面的資料；聽取用戶的反映和意見；了解所設計的鉆機的應用

42、條件和使用范圍；掌握目前有關的科學技術情況；</p><p>　　了解國家及有關部門的標準和規(guī)定；在此基礎上，對收集到的資料、意見和情況進行綜合分析和研究，制定出設計的目標和計劃，然后根據(jù)下述條件和要求進行設計：</p><p>　　1）地層條件。地層條件決定了鉆進方法和鉆進工藝的選擇。不同的地層應采用不同的鉆進方法和鉆進工藝。只有采用的鉆進方法與鉆進工藝相適應時，才能獲得較高的鉆進效率。

43、</p><p>　　2）鉆進方法和鉆進工藝的要求。不同的鉆進方法和鉆進工藝對鉆機的結(jié)構(gòu)提出了差異較大的要求，他們是影響鉆機總體設計的重要因素。實際上，鉆進方法和鉆進工藝是決定鉆機類型的重要依據(jù)。</p><p>　　3）使用條件和要求。使用條件和要求包括的內(nèi)容和廣泛，其中有鉆機的用途、應用范圍、生產(chǎn)效率、操作條件、運輸、拆裝、維修、環(huán)保、使用環(huán)境等方面。</p><p

44、>　　4）制造條件。其中包括材料、加工、熱處理、技術測量、裝配、標準化等方面的條件和要求。</p><p>　　現(xiàn)有同類型鉆機的結(jié)構(gòu)。對現(xiàn)有同類型的鉆機進行結(jié)構(gòu)分析，設計時應盡量吸收其設計的優(yōu)點，克服設計的不足。</p><p>　　2.2 機型與傳動形式選擇</p><p>　　2.2.1 機型選擇</p><p>　　鉆機的類型選擇

45、是鉆機總體設計中首先要解決的問題。鉆機的類型應根據(jù)鉆機用途、采用的鉆進方法和工藝來確定。</p><p>　　目前我國 鉆機基本上可分為轉(zhuǎn)盤式、立軸式、頂驅(qū)式三種類型，轉(zhuǎn)盤式主要是石油鉆機和水源鉆機，立軸式主要是煤田勘探鉆機，頂驅(qū)式主要是石油鉆機和引進的車載鉆機，在鉆井施工中，發(fā)現(xiàn)：</p><p>　　1）轉(zhuǎn)盤式回轉(zhuǎn)鉆進機構(gòu)不適應金剛石鉆頭高轉(zhuǎn)速和穩(wěn)定加壓的鉆進工藝要求，基本上采用牙輪鉆

46、頭鉆進，效率低。</p><p>　　2）立軸式巖心鉆機不能長行程給進，導致工人勞動強度大，且反循環(huán)連續(xù)取芯先進工藝不匹配，故鉆進效率低。</p><p>　　3）頂驅(qū)式鉆機主要采用液壓控制在結(jié)構(gòu)上完全打破了傳統(tǒng)立軸式鉆機的設計布局，采用液壓馬達直接驅(qū)動回轉(zhuǎn)器構(gòu)成動力頭，回轉(zhuǎn)機構(gòu)與擰管機構(gòu)合一，可實現(xiàn)鉆具轉(zhuǎn)速無級調(diào)節(jié)和擰卸鉆桿機械化；采用油缸-鏈條（鋼絲繩）機構(gòu)給進，取消了立軸和主動鉆桿，

47、實現(xiàn)了長行程不倒桿給進；升降機構(gòu)與給進機構(gòu)合一，可以實現(xiàn)無塔升降鉆具。可以說頂驅(qū)式鉆機具有轉(zhuǎn)盤式鉆機和立軸式鉆機的雙重優(yōu)點，能很好的適應各種不同施工作業(yè)要求。</p><p>　　因此，從鉆機類型來說，頂驅(qū)式鉆機是多功能鉆機的主流趨勢。</p><p>　　2.2.2 傳動形式選擇</p><p>　　不同的傳動方式，不僅會造成鉆機總體結(jié)構(gòu)形式的差異，而更重要的是關

48、系到性能好壞、制造難易、成本高低、使用及維修保養(yǎng)的方便程度。目前，鉆機中使用的傳動方式有機械傳動、液壓傳動和氣壓傳動。</p><p>　　1）機械傳動，機械傳動具有結(jié)構(gòu)簡單；傳動可靠；傳動效率高；易于加工和制造；成本低；便于大功率傳遞等優(yōu)點。但具有體積和質(zhì)量大；不便于遠距離傳動；布置不及液壓和氣壓傳動靈活；在傳動中有較大的振動和沖擊等問題。</p><p>　　2）液壓傳動，這種傳動結(jié)構(gòu)

49、緊湊；體積小、重量輕；傳動平穩(wěn)；布局靈活；可無級調(diào)速；便于實現(xiàn)順序動作及遠距離控制和操作；但液壓件要求加工和裝配精度高，造成加工裝配困難，相應成本提高；要求密封性好，否則易引起內(nèi)、外泄漏。液壓傳動與機械傳動相比傳動效率較低，功耗相應也大。</p><p>　　3）氣壓傳動，氣壓傳動采用空氣做動力介質(zhì)，無介質(zhì)費用，不存在供應困難。氣壓傳動壓力損失小，便于集中供應和遠距離傳輸；氣體壓力較低，可適當降低元件加工精度；氣

50、壓傳動介質(zhì)清潔、污染少；可在高溫、腐蝕、振動、易爆等惡劣環(huán)境中工作。氣壓傳動易于集中控制、程序控制和實現(xiàn)工序自動化。但由于空氣的可壓縮性，是工作速度不穩(wěn)定，外在對速度影響較大，難以準確控制和調(diào)節(jié)工作速度，由于工作壓力低，是結(jié)構(gòu)尺寸較大。</p><p>　　在鉆機中機械傳動是最常用的傳動形式。但純機械傳動式的鉆機已逐漸減少，目前只是在結(jié)構(gòu)比較簡單的輕便淺孔鉆機中使用。液壓傳動在機械中的應用越來越多，已由最初只是用

51、于鉆機的給進機構(gòu)發(fā)展到鉆機的主要傳動部分。液壓傳動的應用在很大程度上增加鉆機的功能和提高了工作性能；提高了工序和操作的自動化程序。氣壓傳動雖然具有許多優(yōu)點，但它需要單獨的供氣設備，對于流動性差，經(jīng)常需要單機工作的鉆機來說還不太適應。因此多功能鉆機的傳動方式宜采用液壓傳動的方式。</p><p>　　2.3 鉆機的總體布局</p><p>　　鉆機的總體布局是鉆機總體設計的重要內(nèi)容，直接影響

52、鉆機的性能和質(zhì)量?？傮w布局與各部件的結(jié)構(gòu)和傳動系統(tǒng)的確定是密切相關的。設計時，要對各部件的結(jié)構(gòu)、傳動方案、各部件間的相對位置關系、聯(lián)接固定方式進行綜合分析，進行多方案的對比，從中選擇比較理想的總體布局方案。</p><p>　　2.3.1 鉆機的驅(qū)動和動力輸入方式</p><p><b>　　1）鉆機的驅(qū)動方式</b></p><p>　　鉆機

53、的驅(qū)動方式有兩種：單獨驅(qū)動和聯(lián)合驅(qū)動。</p><p>　　1.動力機； 2.鉆機； 3.水泵</p><p>　　圖2-1 驅(qū)動及輸入方式</p><p>　　如圖2-1a)為單獨驅(qū)動，2-1b)為聯(lián)合驅(qū)動。</p><p>　?。?）單獨驅(qū)動 即一臺動力機驅(qū)動一臺工作機。此種傳動方式傳動鏈短、傳動效率高；結(jié)構(gòu)緊湊；便于機場內(nèi)設備的安裝

54、布置；布局較靈活，容易改型；各工作機間的運行互不干擾；但機場內(nèi)動力機的數(shù)目增多，增加了管理和維修工作量；設備投資費用相對增加；機場噪音大，使用柴油機時尤為突出。</p><p>　　（2）聯(lián)合驅(qū)動 即一臺動力機驅(qū)動多臺工作機。此種驅(qū)動方式動力機的數(shù)目少，便于管理；噪聲小。其缺點是動力機與工作機之間需要增設中間傳動裝置，占地面積大；布局欠緊湊；改型較困難；機場布局受到一定的限制；而且，當動力機熄火時，鉆機與泥漿泵

55、都將停止工作，對孔內(nèi)事故的預防不利。</p><p>　　綜合考慮本鉆機的使用環(huán)境和模塊化思路，我們選擇兩臺柴油機分別驅(qū)動的單獨驅(qū)動形式。</p><p>　　2）鉆機動力的輸入方式</p><p>　　鉆機的動力輸入方式分直線輸入和平行輸入兩種。</p><p>　?。?）直線輸入 鉆機的輸入軸和動力機的輸出軸布置在一條直線上。二者

56、之間采用彈性或半彈性聯(lián)軸器、法蘭盤、液力變矩器的直接輸入方式。此種輸入方式傳動效率高、軸及軸承受力條件好、結(jié)構(gòu)緊湊。</p><p>　?。?）平行輸入 動力機的輸出軸和鉆機的輸入軸相互平行，常采用三角皮帶或平皮帶傳動，平行輸入多用于聯(lián)合驅(qū)動。</p><p>　　在我們的設計中，鉆機的驅(qū)動方式選擇直線輸入。</p><p>　　2.3.2 操縱機構(gòu)的設置&

57、lt;/p><p>　　鉆機屬于周期性拆遷的流動式生產(chǎn)機械，沒有固定性的廠房，多數(shù)也沒有司機室。鉆機的操縱機構(gòu)有較靈活的布置范圍。設計時主要應滿足操作安全、方便、省力、視野開闊，便于各操縱機構(gòu)的集中，并盡可能使操縱機構(gòu)簡單。按照人、機關系，操縱機構(gòu)的設置可分為近臺操作和遠距離操縱臺操作。由于整臺鉆機考慮到模塊化設計思路，且全液壓鉆機便于自動化控制，所以，我們的多功能選擇用操縱臺操作來控制整個鉆機。</p>

58、<p>　　2.3.3 裝載形式</p><p>　　鉆機裝載形式分為散裝式、機架組裝式、拖拉式和履帶式。</p><p>　　1)散裝式 散裝式為將鉆機組裝成幾個獨立的部分，安裝時按固定的關系組裝在一起；搬運時各部分又分解成獨立的部分。散裝式鉆機的的解體性好，便于拆卸和運輸。某些散裝式鉆機對場地的適應性也較好。</p><p>　　2)機架組裝

59、式 將鉆機的各部件以固定的位置和安裝關系組裝在一個機架上，構(gòu)成一個整體。多采用整機搬運，必要時也可以拆零搬遷。</p><p>　　3)拖拉式 將鉆機的各部件組裝在一平板拖車上或可拖拉的輪架上。搬運時可用人力或機動車牽引。</p><p>　　4)履帶式 將鉆機組裝在履帶底盤上，自帶動力機。拆遷、安裝方便。</p><p>　　由于多功能鉆機的應用廣泛，需要適

60、應各種不同的環(huán)境，施工周期一般較短，從國內(nèi)外多功能鉆機的施工范圍來看，引進的車載鉆機比傳統(tǒng)的鉆機能更好的適應各種特殊地形、地貌和環(huán)境要求，搬遷速度快，工人勞動強度小，因此，多功能鉆機應優(yōu)先采用履帶式，在設計過程中可考慮車載式與模塊化相結(jié)合。 </p><p>　　2.4 鉆機整機參數(shù)的確定</p><p>　　鉆機整機參數(shù)是指反映鉆機整機性能和特性的參數(shù)，包括鉆機的能力參數(shù)，鉆機的驅(qū)動動力

61、機功率，鉆機所需的功率，鉆機的質(zhì)量和外形尺寸等。這些參數(shù)是進行總體設計和布局設計的重要依據(jù)。</p><p>　　2.4.1鉆機能力參數(shù)</p><p>　　采用鉆桿回轉(zhuǎn)鉆進的鉆機，其鉆機的能力參數(shù)包括：鉆進孔深，鉆孔直徑，鉆桿直徑，鉆桿傾角。這些參數(shù)反映了鉆機可以完成的鉆孔結(jié)構(gòu)，同時反映出鉆機的鉆進能力和適用范圍。</p><p><b>　　1.鉆進孔

62、深</b></p><p>　　鉆機銘牌上標明的鉆進深度是鉆機的公稱鉆進深度，并不表示鉆機的實際最大鉆進深度。實際鉆進深度一般大于公稱鉆進深度。目前，我國把鉆進深度作為設計和制定鉆機系列的基本參數(shù)。鉆進深度是鉆機的一個重要參數(shù)，但又不能完全反映鉆機工作能力的大小，因此在說明鉆機的鉆進深度時，往往要附加采用的鉆桿直徑這一條件。鉆機的功率這一參數(shù)能夠表明鉆機能力的大小，以后有可能以鉆機功率作為鉆機的基本參

63、數(shù)。</p><p>　　確定鉆機的鉆進孔深的依據(jù)是，鉆機的涉及用途以及國家或行業(yè)所制定的鉆孔深度的標準系列。目前我國鉆機鉆進的孔深系列標準是以一定直徑的剛鉆桿可鉆進深度（m）表示，系列標準定為：100,300,600,1000等。</p><p>　　為了適應多用途的要求，以及鉆機在各種不同場合的施工要求，我選擇的鉆進孔深為300.</p><p><b&g

64、t;　　2.鉆孔直徑</b></p><p>　　鉆孔直徑簡稱孔徑，包括終孔直徑和開孔直徑，其范圍的大小隨孔深而不同，孔深越大，所需孔徑范圍也越大?？讖椒从沉算@機可能完成鉆井的井身結(jié)構(gòu)的直徑系列和適應的鉆進方法?？讖降拇笮≈苯佑绊戙@進效率、磨料消耗、功率消耗、鉆機尺寸和鉆機質(zhì)量等指標。</p><p>　　一般在滿足不同用途要求以及鉆進工藝許可的前提下，應盡可能的減小孔徑以及開

65、孔直徑與終孔直徑間的級差。表2-1是鉆孔深度與鉆孔直徑的關系</p><p>　　表2-1鉆孔深度與鉆孔直徑的關系</p><p><b>　　3.鉆桿直徑</b></p><p>　　鉆桿直徑是指鉆進主要的孔道所采用的鉆桿的外徑。鉆桿直徑直接影響回轉(zhuǎn)器和升降機的能力與尺寸，以及回轉(zhuǎn)鉆進和提升鉆具所需功率。鉆桿直徑的選擇主要與孔深、孔徑和轉(zhuǎn)速有

66、關。鉆孔越深，孔徑越大，所配用的鉆桿直徑越大。當孔徑大鉆桿直徑小時，鉆桿在孔內(nèi)易彎曲，造成工作條件惡化，不僅影響鉆進速度和質(zhì)量，也易引起孔內(nèi)事故。根據(jù)鉆桿的轉(zhuǎn)速高低，鉆桿的直徑與鉆孔直徑應有合理的級配關系，一般情況下鉆桿的轉(zhuǎn)速越高鉆孔直徑與鉆桿直徑的比值越小。表2-2是鉆孔直徑與鉆桿直徑的比例關系</p><p>　　表2-2鉆桿直徑與鉆孔直徑的級配關系</p><p>　　在此，選擇一個

67、比較合理的級配關系：</p><p>　　D/d=1.9-2.3 2-1</p><p>　　現(xiàn)用鉆機主要配套有以下幾種直徑的鉆桿：φ50mm、φ73mm、φ89mm、西φ114.3mm、φ127mm。由公式2-1可得，φ50mm鉆桿適合的最優(yōu)井徑范圍在110mm左右；φ73mm鉆桿適合的最優(yōu)井徑范圍在160.6m

68、m左右；φ89mm鉆桿適合的最優(yōu)井徑范圍在195.8mm左右；φ114.3mm鉆桿適合的最優(yōu)井徑范圍在251．5mm左右；φ127mm鉆桿適合的最優(yōu)井徑范圍在279．4mm左右。根據(jù)現(xiàn)場使用經(jīng)驗及各種施工技術的要求，φ89mm、φ114.3mm這兩種直徑的鉆桿更加適應各種不同的場合，施工范圍更廣。</p><p><b>　　4. 鉆孔傾角</b></p><p>　

69、　鉆孔傾角是指鉆孔所能完成的鉆孔的傾角范圍。傳統(tǒng)的鉆機一般只是打垂直孔，沒有考慮鉆孔方向的變角裝置。在工程施工中有很多的場合要打傾斜孔，為了能夠鉆進不同角度的孔，應該考慮變角裝置。鉆機可鉆鉆孔傾角的范圍應根據(jù)鉆機的用途、適應的孔深和鉆機的類型而定。我們所設計的多功能鉆機應用廣泛，鉆孔傾角為0— 。</p><p>　　2.4.2 鉆機的關鍵參數(shù)</p><p>　　多功能鉆機的關鍵參數(shù)有

70、：動力頭回轉(zhuǎn)扭矩、轉(zhuǎn)速范圍、給進行程、給進上頂力、提升速度等。</p><p><b>　　1)動力頭回轉(zhuǎn)扭矩</b></p><p>　　在鉆進過程中，鉆機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)在一定的參數(shù)下運轉(zhuǎn)，其載荷也按一定的規(guī)律來變化。在一個鉆孔的整個鉆進過程中，許多因素都在不斷地變化，它們都將導致回轉(zhuǎn)系統(tǒng)載荷的變化。主要表現(xiàn)為鉆機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)扭矩隨井深的延伸、鉆井直徑的增大、鉆桿直徑的加大、

71、鉆桿與孔壁間隙的增大、鉆壓的加大以及鉆具回轉(zhuǎn)速度的增高而加大，此外巖石性質(zhì)、鉆頭類型、泥漿類型及泵壓大小，也對回轉(zhuǎn)力矩有一定影響。</p><p>　　由于影響因素十分復雜，因此一般總是根據(jù)實際使用情況給出與之相近的假定條件來簡化計算，并使之保留最必要的一些因素和變化規(guī)律。通?；剞D(zhuǎn)器扭矩的計算公式為：</p><p><b>　　2-2</b></p>

72、<p>　　式中：—鉆具回轉(zhuǎn)力矩 N；</p><p><b>　　—鉆孔直徑 mm；</b></p><p><b>　　—力矩系數(shù)一般取。</b></p><p>　　在回轉(zhuǎn)系統(tǒng)各零、部件強度允許條件下，回轉(zhuǎn)器能提供的公稱扭矩越大，鉆機鉆進能力及處理事故能力越強。根據(jù)公式2-2，帶入數(shù)據(jù)得回轉(zhuǎn)扭矩為11KN.

73、m</p><p><b>　　2)動力頭轉(zhuǎn)速范圍</b></p><p>　　這是一項說明鉆機的工藝適應性的參數(shù)?，F(xiàn)用全液壓動力頭項驅(qū)鉆機，均能實現(xiàn)無級調(diào)速，最高轉(zhuǎn)速為400r／min。參照立軸及轉(zhuǎn)盤鉆機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中回轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)速分析，可知全液壓動力頭頂驅(qū)鉆機比立軸及轉(zhuǎn)盤鉆機能更好地適應多種場合工作的要求。我們這里選擇最高轉(zhuǎn)速75r/min的動力頭。</p>

74、<p>　　3）給進速度 </p><p>　　這是一項代表給進、提升系統(tǒng)性能的重要參數(shù)，其行程應大于一根鉆桿或技術套管的長度。此行程也即鉆機的提升高度，對提鉆效率起決定性作用。對全液壓動力頭頂驅(qū)鉆機而言，其動力頭凈空行程即給進行程。T130XD型鉆機的動力頭凈空行程為15.24m，T685WS為11.58m，RB50為9.50m，RB40為9.00m，RD20為11.3

75、5～12.50m，G75為14.40m，G100為13.40m，均大于一根φ114mm鉆桿的長度。</p><p>　　鉆機技術性能中標注的最大提升能力，指的是單繩起重量。淺孔鉆機，一般都不采用游動滑車，其最大提升能力不應小于額定孔深的大鉤載荷。中深和深孔鉆機，采用游動滑輪組，其最大提升能力決定于額定孔深的大鉤載荷和滑車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。</p><p><b>　　2-3</b&

76、gt;</p><p>　　而 2-4</p><p>　　式中：m——有效鋼繩數(shù)；</p><p><b>　　——滑車系統(tǒng)效率；</b></p><p>　　——額定孔深大鉤載荷，kN；</p><p&

77、gt;　　—— 額定孔深，m；</p><p>　　q——每米鉆桿重力，N；</p><p>　　K——卡塞系數(shù)，淺孔取2，深孔取1.5，石油鉆取1.25。</p><p>　　滑車系統(tǒng)的效率仇與有效鋼絲繩數(shù)之間的關系如表2-3所示</p><p>　　表2-3 滑車系統(tǒng)的效率和m值的關系</p><p>　　此項參

78、數(shù)通常代表了鉆機滿足提鉆、處理事故和其他工序所必須的能力。根據(jù)公式的計算和經(jīng)驗，我們?nèi)∵M給行程為3400mm</p><p>　　4)給進力及上頂力 </p><p>　　對多功能鉆機水平打孔時而言，鉆具自重已不能提供足夠的給進力，因此需要鉆機給進系統(tǒng)能單獨提供較大的給進力。普通立軸鉆機采用液壓給進結(jié)構(gòu)，能夠單獨提供給進力，但通常能夠提供的給進力較小，不能滿足水平段鉆進給進力的需求。轉(zhuǎn)盤鉆

79、機由于采用主動鉆桿給進，其給進機構(gòu)不能單獨提供給進力，但是全液壓動力頭頂驅(qū)鉆機的給進系統(tǒng)不僅能單獨提供給進力及上頂力，且能提供的給進力及上頂力較大。</p><p>　　T130XD鉆機液壓系統(tǒng)能單獨提供的最大給進能力為145kN；T685WS鉆機液壓系統(tǒng)能單獨提供的最大給進能力為159 kN；RB50鉆機液壓系統(tǒng)能單獨提供的最大給進能力為75kN；RB40鉆機液壓系統(tǒng)能單獨提供的最大給進能力為60kN；RD20

80、鉆機液壓系統(tǒng)能單獨提供的最大給進能力為136kN；G系列鉆機液壓系統(tǒng)能單獨提供的最大給進能力可達200kN。因此，完全可以滿足水平井施工工藝要求，這正是全液壓動力頭頂驅(qū)鉆機與普通鉆機相比較的優(yōu)勢所在。通過比較各種不同孔的鉆機的進給力，根據(jù)經(jīng)驗我們選擇DYL-300多功能鉆機的進給力為65KN。</p><p><b>　　5)提升速度</b></p><p>　　這是

81、一項影響提鉆效率的參數(shù)。由于全液壓動力頭頂驅(qū)鉆機的鉆塔或桅桿較低，鉆機的提升速度較低。即使是配備液壓卷揚機的動力頭鉆機，最大提升速度也只有l(wèi)m／s左右；而采用液壓缸．鏈條提升機構(gòu)則為0.5m／s。但由于全液壓動力頭頂驅(qū)鉆機均配有全自動卸扣裝置，彌補了提升速度對鉆井效率的影響，因而，相對于普通立軸及轉(zhuǎn)盤式鉆機，全液壓動力頭頂驅(qū)鉆機的鉆井效率提高一倍以上。</p><p>　　2.4.3 鉆機參數(shù)</p>

82、<p>　　根據(jù)經(jīng)驗和上述公式計算得到的鉆機的參數(shù)如下表2-4所示。</p><p>　　表2-4 鉆機參數(shù)</p><p>　　通過參數(shù)等的確定最終完成的裝配草圖如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2 鉆機裝配草圖</p><p><b>　　2.5 本章小結(jié)</b></p>&l

83、t;p>　　本章主要從鉆機的機型的選擇、總體布局和主要參數(shù)的確定三個方面完成了DYL-300多功能鉆機的總體設計：</p><p>　　(1)多功能鉆機機型的選擇，分別比較了現(xiàn)有鉆機各種機型的優(yōu)缺點后最終選擇了全液壓動力頭式鉆機作為多功能鉆機的主流機型。</p><p>　　(2)總體布局上，分別對鉆機中各個主要零部件的擺放位置及連接方式進行了初步的布局。</p>&l

84、t;p>　　(3)主要參數(shù)的確定，通過對各種現(xiàn)在使用的鉆機的比較與分析最終確定了動力頭、鉆進能力等主要參數(shù)，并最終繪制了裝配草圖。</p><p>　　第三章 多功能鉆機的三維建模</p><p>　　3.1 多功能鉆機概述</p><p>　　多功能鉆機是在傳統(tǒng)鉆探機械的基礎上發(fā)展起來的一種用于勘探，邊坡支護，露天采石炮孔的施工機械。它由于在機械、動力系統(tǒng)采

85、用液壓傳動形式，靠液壓能和機械能即能進行工作。其相對于機械傳動的傳統(tǒng)鉆機來說具有以下優(yōu)點：①可以實現(xiàn)無極變速，變速范圍廣；②采用負載敏感的液壓控制方式，可以得到穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速；③在快速給進和快速起拔時，對液壓元件的沖擊比較小；④操作簡單，容易實現(xiàn)自動化控制；⑤維修簡單，售后成本低；⑥結(jié)構(gòu)簡單，對外載荷產(chǎn)生的沖擊可以較快吸收。</p><p>　　實現(xiàn)多功能鉆機的各項功能，需要兩個基本的組成部分，即主機和給進系統(tǒng)。主機

86、是進行工程鉆機操作和為鉆機提供動力的裝置，本鉆機采用的是履帶。具體包括為行走部分、回轉(zhuǎn)部分、液壓系統(tǒng)和動力裝置。其中動力裝置、操作臺、回轉(zhuǎn)部分、油箱等其他輔助設備都可以安裝在回轉(zhuǎn)平臺上。行走裝置和回轉(zhuǎn)平臺用回轉(zhuǎn)支撐相連接，平臺可以圍繞行走中心軸作一定角度的回轉(zhuǎn)。給進系統(tǒng)根據(jù)鉆進工藝的不同，包括機身、回轉(zhuǎn)器、夾持器、卸扣器，上桿裝置、鉆具等，完成鉆孔、邊坡支護孔，地震勘探等工作。下圖3.1為多功能鉆機的結(jié)構(gòu)圖：</p>&l

87、t;p>　　圖3.1鉆機結(jié)構(gòu)草圖</p><p>　　3.2 多功能鉆機的基本組成和工作原理</p><p>　　3.2.1多功能鉆機的基本組成</p><p>　　從系統(tǒng)仿真建模角度，多變幅工程鉆機可分為四個主要部分：動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、操作系統(tǒng)。工程鉆機作為一個有機的整機，其性能與各個系統(tǒng)的關系密不可分。</p><p>

88、<b>　　1)動力系統(tǒng)</b></p><p>　　由于工程鉆機的工作地點主要在野外，環(huán)境溫度變化大，所受負荷、沖擊也大，并且鉆進過程中產(chǎn)生大量的灰塵，污染物較多，維護不便，因此鉆機的動力由柴油機來提供。柴油機工作性能可靠、維修方便、燃油消耗經(jīng)濟，符合工程鉆機的工作特點。</p><p><b>　　2)液壓系統(tǒng)</b></p>

89、<p>　　多變幅工程鉆機的主要動作有整機的行走、平臺回轉(zhuǎn)、變幅油缸的變幅、鉆具的給進、鉆具的起拔、回轉(zhuǎn)器的回轉(zhuǎn)、鉆具的夾緊、鉆具的卸扣等，所有的運動都靠液壓傳動來完成。根據(jù)以上工作動作要求，把液壓元件通過油管有機的連接起來即是工程鉆機的液壓系統(tǒng)。</p><p>　　柴油機利用泵把機械能以液壓油為介質(zhì)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗?，傳遞給給進油缸和馬達，再轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，機械能傳給各個執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)運動和工作的各個過程

90、。液壓系統(tǒng)設計的好壞直接決定鉆機的性能。同樣的液壓元件，系統(tǒng)不同對鉆機的性能影響很大。本鉆機根據(jù)鉆進的工藝特點及動作要求采用雙泵系統(tǒng)，使用一個負載敏感泵和一個恒壓變量泵。</p><p><b>　　3)機械系統(tǒng)</b></p><p>　　多變幅工程鉆機的機械系統(tǒng)是完成鉆機各個動作的執(zhí)行者，基本包括：</p><p>　　履帶行走裝置：整個鉆

91、機的基體和支撐部分，承受整個鉆機的質(zhì)量和鉆進過程中外載荷的反力，并且可以做短距離的行走，搬遷方便，減少作業(yè)輔助時間。</p><p>　　回轉(zhuǎn)裝置：在某個工作位置，使機身圍繞中央回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一定的角度，這樣整機不用移動就可以做多角度施工。</p><p>　　工作裝置：是鉆機完成鉆進的主要組成部分，常用的有機身、回轉(zhuǎn)器、夾持器、卸扣器等。工作裝置是整個鉆機的核心，為鉆機的執(zhí)行機構(gòu)。當鉆機鉆進

92、時，工作裝置驅(qū)動鉆桿旋轉(zhuǎn)和給進；當起下鉆具時，除了驅(qū)動鉆桿前進和后退外，還可以實現(xiàn)機械擰卸鉆桿。</p><p><b>　　4)操縱裝置</b></p><p>　　多功能鉆機的操縱裝置作系統(tǒng)是對柴油機、液壓閥、液壓泵、換向閥和執(zhí)行元件控制的操作裝置，把所有的執(zhí)行元件通過管路連接集中在一個操作平臺上，通過操作液壓手柄可控制鉆機的各種工作過程。</p>

93、<p>　　3.2.2多功能鉆機的工作原理</p><p>　　多功能鉆機是以鉆頭進行鉆進作業(yè)的機械，各部分的運動通過液壓缸的伸縮來實現(xiàn)。變幅裝置由大臂油缸、大臂調(diào)整油缸、桅桿伸縮油缸、托架擺動油缸、大臂、調(diào)角連接板等組成。大臂鉸點鉸接在回轉(zhuǎn)平臺上，通過大臂油缸的伸縮調(diào)整大臂與水平面的夾角。機身與水平面的位置通過大臂調(diào)整油缸的伸縮來實現(xiàn)。當機身固定在水平某一位置后，可以通過托架擺動油缸的伸縮來實現(xiàn)機身在

94、水平面的轉(zhuǎn)動[10]。</p><p>　　鉆進作業(yè)時，先加載鉆桿，然后調(diào)整大臂油缸、大臂調(diào)整油缸、托架擺動油缸，使機身變幅到鉆進指定位置。操縱桅桿伸縮油缸，讓鉆頭接近地面。啟動回轉(zhuǎn)馬達，，同時緩慢移動給進油缸，鉆頭開始切削土壤。給進油缸達到最大行程后，回轉(zhuǎn)馬達停止轉(zhuǎn)動，用夾桿裝置加載上另外一根鉆桿，繼續(xù)回轉(zhuǎn)鉆機，中間不斷加載鉆桿，直至鉆進到設計深度。</p><p>　　在鉆機的實際鉆進

95、過程中，由于地層的情況，鉆進面的情況和鉆機液壓系統(tǒng)設計的差異，變幅裝置和給進機身在實際鉆進循環(huán)中動作配合是多種多樣的，根據(jù)現(xiàn)場情況來定，上述情況只是理想的鉆進過程。</p><p>　　總之，多功能鉆機采用大臂油缸、大臂調(diào)整油缸、桅桿伸縮油缸機身具有三個自由度，機身可以實現(xiàn)在有限的平面空間內(nèi)運動，加上托架擺動油缸的運動，使機身的運動擴大到有限的空間，再通過履帶馬達的驅(qū)動，使多功能鉆機的鉆進空間可以沿水平方向得到擴

96、大，從而滿足多變幅，多角度的鉆進要求。</p><p>　　3.3 多功能鉆機三維模型的建立</p><p>　　構(gòu)造鉆機的虛擬樣機必須進行機械零、部件的三維模型，而產(chǎn)品的CAD圖紙則是構(gòu)造虛擬樣機的基礎。在零部件的三維建模中嚴格按照設計構(gòu)思和前期圖紙為依據(jù)，保持數(shù)據(jù)的完整性和正確性。傳統(tǒng)的二維圖設計與造型是完全脫節(jié)的兩個環(huán)節(jié)，對工程鉆機進行三維建?？梢哉鎸嵉乇憩F(xiàn)樣機的物理結(jié)構(gòu)，避免設計錯

97、誤、加快產(chǎn)品的更新?lián)Q代。與二維設計相比，三維建模圖形具有以下優(yōu)點：①設計直觀，容易修改；②容易進行裝配檢查；③可以為后續(xù)的仿真提供數(shù)據(jù)基礎。</p><p>　　工程鉆機的零部件主要通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、除料等方式構(gòu)造的。由于工程鉆機是一個比較復雜的機械系統(tǒng)，考慮在仿真分析中需要添加約束的數(shù)量，所以在不影響動力學，運動學分析的前提下，在Pro/E建模中盡量省去一些不需要的分析部件模型構(gòu)建，例如一些倒角、過渡圓角等非關鍵

98、的幾何信息。減少分析中零件的數(shù)量和零件間約束副的總數(shù)，從而減少分析的時間，保證仿真分析的成功率。</p><p>　　我們所設計的多功能鉆機根據(jù)部件間是否存在相對運動（不考慮行走和回轉(zhuǎn)運動）將工程鉆機劃分為底盤、大臂、調(diào)角連接板、托板、機身（包括回轉(zhuǎn)器、夾持器、卸扣器）、大臂活塞桿、大臂缸筒、大臂調(diào)整活塞桿、大臂調(diào)整缸筒、托架擺動活塞桿、托架擺動缸筒、桅桿伸縮活塞桿、桅桿伸縮缸筒共13個運動部件，本文不考慮行走和

99、回轉(zhuǎn)運動，共有12個運動部件?！?lt;/p><p>　　通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等操作得到各個部件的三維模型后，下一步就可以進行裝配。</p><p>　　虛擬裝配是在三維模型的基礎上利用計算機技術模擬產(chǎn)品的裝配和拆卸，用于產(chǎn)品開發(fā)過程中裝配干涉檢查、裝配及拆卸路徑規(guī)劃等裝配特性分析。采用虛擬裝配能夠協(xié)調(diào)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設計，有效評價產(chǎn)品的可裝配性，減少由于設計不當造成的更改和返工；通過檢查零部件的安

100、裝和拆卸情況，改善產(chǎn)品的可裝配性，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，從而提高其市場競爭力。</p><p>　　在裝配過程中，為了裝配的方便應該把各個部件移到合適的位置。用到的主要約束有：同軸、面對齊、插入等。按照部件間的運動關系、添加相應的約束，將部件裝配起來，裝配好的多功能鉆機虛擬樣機如圖3-1</p><p>　　圖3.1 鉆機三維建模裝配圖</p><p&g

101、t;<b>　　3.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章的主要工作內(nèi)容如下：</p><p>　　1）介紹了多功能鉆機的整體組成及其工作原理，重點介紹了鉆機變幅的結(jié)構(gòu)組成及工作特點。</p><p>　　2）從鉆機的結(jié)構(gòu)特點及其工況特點，通過三維建模、裝配建立工程鉆機虛擬樣機模型。</p><p>　　第四章

102、 多功能鉆機變幅機構(gòu)的運動仿真</p><p>　　4.1變幅機構(gòu)的基本工作原理</p><p>　　4.1.1 工作原理概述</p><p>　　多功能鉆機立面變角機構(gòu)由大臂舉升油缸、大臂、擺動座俯仰油缸以及下托架組成。大臂舉升油缸可將大臂舉起和放下；擺動座俯仰油缸可以調(diào)整下托架相對于大臂的角度，這2個油缸的組合動作能夠?qū)崿F(xiàn)下托架的抬起和在立面內(nèi)的各種工作角度。大

103、臂和2個油缸在鉆機鉆進過程中都承受鉆進軸壓反饋回來的載荷，其剛度將影響鉆機在工作過程中的動態(tài)特性和鉆頭的就位速度。</p><p>　　變幅機構(gòu)在立面內(nèi)簡化的力學模型如圖4.1所示：</p><p><b>　　圖4.1</b></p><p>　　圖中 E是大臂，1號油缸是大臂舉升油缸，QF01 K為下托架，MNKQ是上托架，MN在桅桿軸線上

104、，Q是上下托架的回轉(zhuǎn)中心。大臂 與機身鉸接于0點，上部端點與下托架鉸接于 點；1號油缸的下部在D點與機身鉸接，上部與大臂鉸接于B點，在1號油缸的驅(qū)動下大臂可繞O點在立面的一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)大臂相對水平面的轉(zhuǎn)角口；2號油缸下部與大臂鉸接于E點，上部與下托架鉸接于F點，在2號油缸的驅(qū)動下，托架帶動桅桿繞。1點在立面內(nèi)擺動，調(diào)節(jié)桅桿與水平面的夾角。</p><p>　　變幅機構(gòu)在水平面內(nèi)簡化模型如圖4.2所示，圖中3

105、號油缸是桅桿偏擺油缸。3號油缸的兩端分別連接下托架的R點和上托架的J點，在3號油缸的驅(qū)動下，桅桿可以實現(xiàn)繞Q點偏擺運動，從而改變桅桿與大臂在水平投影面內(nèi)的相對角度。</p><p><b>　　圖4.2</b></p><p><b>　　4.2載荷位置分析</b></p><p>　　變幅機構(gòu)系統(tǒng)載荷位置分布見圖4.3。

106、其中A點為大臂的重心位置；G大臂為大臂的自重；Hi(i=1,2,3,4,5)分別為擺動座、動力頭小車、絞車、卡具以及桅桿的重心位置；Gi分別為各部分的自重；F為鉆機進給時進給裝置的推進力；T為進給時動力頭的轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　圖4.3變幅機構(gòu)系統(tǒng)載荷位置分布圖</p><p>　　在多功能鉆機水平面內(nèi)，以托架上的回轉(zhuǎn)中心為原心，桅桿方向為X2軸的直角坐標系 ，( 為重心 在直角坐標

107、系 中的坐標值，在多功能鉆機立面內(nèi)，以大臂與機身鉸接的O點為原點，建立如上圖所示的坐標系XOY，為了便于計算，在立面內(nèi)，以 為原點建立如上圖所示的坐標系 ，其中a為 到回轉(zhuǎn)軸 的距離，則重心 在 中的值為（ *cos -a, ），當桅桿相對大臂所在的立面產(chǎn)生偏擺角 時，動力頭轉(zhuǎn)矩T對立面變角機構(gòu)產(chǎn)生2個力矩的分量，其中一個為對立面變角機構(gòu)的扭矩，大小為T* cos ，另一個為對立面變角機構(gòu)的彎矩，大小為T* sin .</p>

108、;<p><b>　　由運動幾何學可得，</b></p><p><b>　　-arccos </b></p><p>　　式中： ——1號油缸的長度；</p><p><b>　　——2號油缸的長度</b></p><p>　　則重力 到原點 的水平距離為<

109、;/p><p>　　*cos -a)*cos </p><p>　　重力對 點取矩為 </p><p>　　在XOY直角坐標系中。大臂重心到原點0的水平距離為</p><p>　　鉆架上除大臂外其他構(gòu)件重心到原點0的水平距離為</p><p><b>　　重力 對O點取矩為</b></p&g